光催化防污闪绝缘子在高海拔重污秽地区的应用

黄恒,蔡晓斌,胡俊涛,戴文新,袁齐坤,苗俊,李榕良,李宪钧,杨刚

(1.昆明理工大学电力工程技术有限公司,昆明 650000; 2.云南电网公司曲靖供电局,云南 曲靖 655000; 3.福州大学国家环境光催化工程技术研究中心,福州 355000)

光催化防污闪绝缘子在高海拔重污秽地区的应用

黄恒1,蔡晓斌2,胡俊涛1,戴文新3,袁齐坤2,苗俊2,李榕良2,李宪钧1,杨刚1

(1.昆明理工大学电力工程技术有限公司,昆明 650000; 2.云南电网公司曲靖供电局,云南 曲靖 655000; 3.福州大学国家环境光催化工程技术研究中心,福州 355000)

介绍利用高压光催化防污闪绝缘特性减少和抑制污闪发生的方法;结合高海拔、重污秽地区特点,通过绝缘配合计算选用光催化防污闪绝缘子串挂网片数。

光催化;绝缘子;高海拔重污秽;绝缘配合;污闪

1 前言

我国海拔1 000 m以上地区约占国土面积的60%,高压输电不可避免的要经过高海拔地区,电气设备在高海拔地区受气压、温度、湿度等因素的影响,无论是空气间隙的放电电压、导线电晕起始电压、还是污闪电压都会随海拔高度升高而降低,在重污秽环境下的外绝缘问题更为突出。

2 高海拔重污秽地区特点

2.1 海拔对闪络电压的影响

随海拔升高,气压、温度、湿度都对放电电压有影响。试验表明：大气中间隙的放电电压随空气密度的增大而提高。随海拔高度的增加,大气压力下降,空气密度变小,导致外绝缘的放电电压随之下降。绝缘子表面空气的临界击穿电压随着气压的降低而降低,污秽度相同时,低气压下一旦形成干区,会比常压下更容易形成局部电弧,因此,高原环境中绝缘子污闪电压比常压时低,目前普遍结论为：

U=U(P/P)n

(1)

oo

式中：Po表示海拔高度为0 m时的标准大气压;Uo为标准大气压Po时的绝缘子污闪电压;n为气压对污闪电压影响程度的下降指数。

2.2 海拔、污秽对绝缘子片数的影响

根据GB/T50545-2010,绝缘子配合设计采用爬电比距法时,绝缘子片数由式 (2)：

式中no-每串绝缘子片数;

λ为系统标称电压下的爬电比距,cm/kV;U为系统标称电压,kV;Lo1为单片绝缘子几何爬电距离,cm;Ke绝缘子爬电距离的有效系数。

当海拔超过1 000 m时,悬垂绝缘子片数由式 (3)修正：

nH为高海拔地区每串绝缘子片数;H为海拔高度,km;m1为特征指数。

(2)(3)式中,λ,Ke,m1这三个参数都随盐密度不同而变化,因而相对于海拔高度,污秽对绝缘子挂网片数的影响要复杂的多。

上述特性表明,高海拔地区中高压绝缘子的防污闪性能降低是一种普遍现象,解决此问题的关键在于进一步提高绝缘子本身的防污闪性能。福州大学国家环境光催化工程技术研究中心主导开发的光催化防污闪绝缘子具有降解有机污垢、提高闪络电压的特性[2-3],有可能是有效防止高海拔重污秽地区污闪事故的途径之一。

3 高压光催化防污闪绝缘子

由于TiO2无毒、物理化学性质稳定、催化活性高、制备工艺简单、可重复使用等优点,已成为应用最广泛的光催化原料。该光催化技术首次应用于绝缘子,在普通瓷质或玻璃绝缘子表面镀上一层TiO2薄膜制成光催化防污闪绝缘子,在太阳光 (自动吸收紫外光)作用下,光催化薄膜可分解吸附在其表面的大多数有机污染物 (如碳氢化合物将被还原成CO2和H2O)和部分无机物污染物,降低绝缘子表面的亲油性能,使得亲油的灰尘颗粒及其他污秽不易吸附在其表面,而残留的有机分解物和无机物会被风吹雨淋带走。因此,绝缘子表面在阳光、雨水和风等自然条件作用下可长期保持自洁净,使得污秽无法生成和累积,最终实现防污闪目的。另外,TiO2薄膜的光致高亲水性、半导体涂层均布电场特性也对局部干区、局部高场强有一定的抑制作用[4-5]。

光催化防污闪绝缘子的制备工艺主要包括：光催化剂的制备、涂层、热处理工艺。光催化剂制备采用溶胶方法;涂层工艺用旋转喷涂法,考虑到绝缘子的曲面几何形状,设置上中下三个喷头进行旋喷出料以保证涂层的均匀;热处理工艺使用辊道窑,烧结温度在400～500℃。成品通过扫描电镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM)测试,结果显示：膜层厚度为300～400 nm,TiO2粒子尺寸在10～30 nm之间;X射线衍射 (XRD)测试表明膜层为期望的锐钛矿结构TiO2;紫外-可见漫反射光谱测试表明膜层在波长小于360 nm处有明显的紫外吸收特征。

淋雨冲刷实验和酸碱处理实验分别验证光催化膜层的稳定性和耐酸碱性能,以流速60 ml/s降水冲刷绝缘子表面12小时后放置12小时,重复6次为一个循环,处理后绝缘子表面膜层无任何变化;利用PH值4～9的酸、碱溶液以及盐溶液处理光催化绝缘子表面后,再用水彩涂覆到绝缘子表面,在紫外光照射下水彩褪色,该实验表明光催化膜层经过酸碱腐蚀后,依然具有降解有机物的能力。光催化绝缘子的机械性能、电气性能也经过测试,其中耐磨性远好于普通绝缘子,说明热处理后的膜层致密且与基底附着力强,其他各项参数均与普通绝缘子相当,对比结果见表1。

4 实际挂网应用

TiO2光催化涂层绝缘子在非带电情况下的降解油污、户外抗积污 (5年以上)、光致亲水性已得到大量实验的验证,而带电挂网应用在国内外尚属空白;人工气候室能在加载高压的情况下,模拟同海拔高度气压、盐雾、温度、降水等参数[6],但光催化防污闪绝缘子的效果需要阳光、雨水的共同作用,且自然环境下污秽成分也因污染源不同而有明显的小区域差异,实际积污也是一个漫长、动态的过程。因而,只有通过较长时期的带电挂网运行、运行中实时监测、运行后电气性能对比测试等工作才能准确、全面反映光自洁防污闪绝缘子的实际效果。挂网设计中,高压光催化防污闪绝缘子自身的绝缘强度是需要首先考虑的问题。相对于普通绝缘子,高压光催化绝缘子表面TiO2涂层微弱的漏电流虽然能改善绝缘子局部电场畸变,但这层10～102纳米级别的半导体层是否会影响绝缘子绝缘性能并无经验借鉴。在挂网前,对普通、光催化绝缘子串的湿闪络电压进行测试,试验结果表明高压光自洁防污闪绝缘子闪络电压符合挂网要求,且湿耐受时间高于普通绝缘子。结果见表2。

表1 普通绝缘子与光催化绝缘子性能对比测试

表2 挂网前湿闪络测试

为保证电力系统正常运行,绝缘子串的设计也必须达到规定的绝缘强度。如果绝缘水平确定太低,会有安全隐患;但如果确定过高,简单的采用增加绝缘子片数以提高单位泄露距离的方式增强绝缘强度,会导致经济的不合理,因此在确定绝缘水平上需要统筹兼顾[7]。

在高海拔重污秽地区,由于紫外辐射,酸雨侵蚀等,RTV、复合绝缘子的外绝缘特性、憎水性和憎水迁移性会加速衰减[8～10],从而导致此类绝缘子使用寿命大打折扣;而丰富的紫外光,充沛的雨水以及TiO2自身化学性质 (耐酸碱)的稳定性,正好适合在光催化绝缘子在此类地区推广应用。对众多污秽地区进行挂网试应用,挂网至今最长已运行三年,三年来定期检测积污程度、线路运行情况。挂网至今,自洁净功能得到用户的肯定,实现了免清洗且线路运行良好,未发生任何污闪事故。

5 结束语

通过湿闪络测试和绝缘配合计算验证了光催化防污闪绝缘子具有应用基础。实际挂网,运行至今未发生任何污闪事故;三年挂网运行结束后,还将对挂网点的光自洁、普通绝缘子进行湿闪络、盐密、灰密对比测试,对不同污染源挂网样品进行定量对比,以分析、评定光自洁绝缘子针对不同污染源防治污闪的实际效果。另外,在挂网应用中,针对光催化涂层绝缘子的爬电比距有效系数Ke、特征指数m1、污闪随气压的下降系数n等电气参数也将开展与常规绝缘子的对比分析。研究上述问题,需要基础研究和应用究相结合,通过大量深入细致的试验来确定,这对光催化防污闪绝缘子在超高压乃至特高压等级,海拔、污秽更苛刻地区的应用有重要意义。

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10月27日,南瑞集团稳定公司、国网山东省电力公司电科院、华北电力大学共同承担的国网公司重点科技项目-"灾害磁暴对大电网安全运行的影响及防御技术研究"通过国网山东省电力公司组织的科技成果鉴定。

委员会专家认为该项目成果首次围绕中低纬度磁暴对电网安全影响及防御技术开展研究,总体达到国际领先水平,对于防御灾害磁暴引发大停电,保障电网安全和社会稳定具有巨大的潜在经济效益,所提出的灾害磁暴引发电网设备群发性故障概率的在线评估方法、风险评估技术及其一体化防御框架为国际首创,一致同意该项目通过鉴定。该项目对灾害磁暴影响大电网安全运行的机理、预警以及应急防御开展相关基础性研究,着重研究灾害磁暴对我国特高压交直流混联大电网安全稳定运行的影响、监测预警及应急防御问题。并在此基础上,给出灾害磁暴对我国当前和规划电网安全运行影响的评估、计算结果,相应的监测预警和应急预案以及防御控制方法。

该项目进一步丰富和充实我国电力界首创并积极研究应用的涵盖极端外部灾害停电防御的广域动态监测分析控制保护系统 (WARMAP)建设,为构建中国特色的坚强智能电网提供理论和技术支撑,为防范磁暴灾害提供科学依据和后续工程建设创造试验环境,项目的前沿性、科学意义和推广实用价值巨大。(信息来源：国网电力科学研究院)

Application of Photocatalytic Induced Self-cleaning Insulator in High Altitude Heavy Pollution Areas

HUANG Heng,CAI Xiaobin,HU Juntao,DAI Wenxin,YUAN Qikun,
MIAO Jun,LI Rongliang,LI Xianjun,YANG Gang
(1.KMUST Electric Power Engineering Technology Co.,Ltd,Kunming 650000; 2.Qujing Electric Power Supply Bureau,Qujing,Yunnan 655000; 3.National Enginneering Center of Environmental Photocatalysis,Fuzhou University,Fuzhou 355000)

Based on the characteristics of photocatalytic,hydrophilc,uniform distributing the electric field,the photoinduced selfcleaning high-voltage insulator can inhibite the pollution flashover.The pieces of insulator string under the power grid at high altitude and heavy pollution areas were calculated based on insulation coordination.The insulations appled for the high-voltage lines in China Southern Power Grid of Yunnan.Operation conditions of lines functioned well.and the pollution flashover never occurred in recent three years.

Photocatalytic;Insulator;High altitude and heavy pollution;Insulation coordination;Pollution flashover

TM853

B

1006-7345(2014)01-0078-04

2013-11-05

黄恒 (1974),男,工程师,昆明理工大学电力工程技术有限公司,从事光催化绝缘子、防覆冰涂层的研究 (e-mail) 1054237819@qq.com。

资助基金项目：

国家科技型中小企业技术创新基金

昆明市科技型中小企业技术创新基金

中国南方电网有限责任公司科技项目